Deep beneath the geysers and hot springs of Yellowstone Caldera lies a magma chamber produced by a hot spot in the earth’s mantle. As the magma moves towards the Earth’s surface, it crystallizes to form young, hot igneous rocks. The heat from these rocks drives groundwater towards the surface. As the water cools, ions precipitate out as mineral crystals, including quartz crystals from silicon and oxygen, feldspar from potassium, aluminum, silicon, and oxygen, galena from lead and sulfur.
در اعماق آبشارها و چشمههای آب گرم « یلوستون کالدرا » یک محفظه ماگما قرار دارد که توسط نقطهای داغ در گوشته زمین ایجاد شده است. با حرکت ماگما به سمت سطح زمین، آن را متبلور میکند تا سنگهای آذرین جوان و داغ تشکیل شود. گرمای حاصل از این سنگها باعث میشود تا آب زیرزمینی به سمت سطح حرکت کند. با خنک شدن آب، یونها به شکل بلورهای معدنی رسوب میکنند، از جمله بلورهای کوارتز از سیلیسیم و اکسیژن، فلدسپات از پتاسیم، آلومینیوم، سیلیسیم و اکسیژن، گالن از سرب و گوگرد، تشکیل میشود.
Many of these crystals have signature shapes— take this cascade of pointed quartz, or this pile of galena cubes. But what causes them to grow into these shapes again and again?
بسیاری از این بلورها اشکال منحصر به فرد دارند - برای مثال این آبشار کوارتز، یا این مکعبهای شمعی گالن. اما چه چیزی باعث میشود که آنها دوباره و دوباره به این شکلها تبدیل شوند؟
Part of the answer lies in their atoms. Every crystal’s atoms are arranged in a highly organized, repeating pattern. This pattern is the defining feature of a crystal, and isn’t restricted to minerals— sand, ice, sugar, chocolate, ceramics, metals, DNA, and even some liquids have crystalline structures.
بخشی از پاسخ در اتمهای آنها نهفته است. اتمهای هر بلور به شکلی کاملاً منظم و تکراری مرتب شده اند. این الگو، مشخصه بلور است، و به مواد معدنی محدود نمیشود شن، یخ، شکر، شکلات، سرامیک، فلزات، DNA، و حتی برخی از مایعات دارای ساختار بلوری هستند.
Each crystalline material’s atomic arrangement falls into one of six different families: cubic, tetragonal, orthorhombic, monoclinic, triclinic, and hexagonal. Given the appropriate conditions, crystals will grow into geometric shapes that reflect the arrangement of their atoms. Take galena, which has a cubic structure composed of lead and sulfur atoms. The relatively large lead atoms are arranged in a three-dimensional grid 90 degrees from one another, while the relatively small sulfur atoms fit neatly between them. As the crystal grows, locations like these attract sulfur atoms, while lead will tend to bond to these places. Eventually, they will complete the grid of bonded atoms. This means the 90 degree grid pattern of galena’s crystalline structure is reflected in the visible shape of the crystal.
ترتیب اتمی هر ماده بلوری در یکی از شش خانواده مختلف قرار میگیرد: مکعبی، تتراگونال، اورتورمبیک، مونوکلینیک، تریکلینیک و هگزاگونال است. با توجه به شرایط مناسب، بلورها به اشکال هندسی تبدیل میشوند که نشان دهنده ترتیب اتمهای آنها است. گالن را در نظر بگیرید که ساختار مکعبی دارد که از اتمهای سرب و گوگرد تشکیل شده است. اتمهای سرب نسبتاً بزرگ در یک شبکه سه بعدی ۹۰ درجه از یکدیگر چیده شدهاند، در حالی که اتمهای نسبتاً کوچک گوگرد کاملاً بین آنها است. با رشد کریستال، مکانهایی مانند اینها اتمهای گوگرد را جذب میکنند ، در حالی که سرب به این مکانها میپیوندد. سرانجام، آنها شبکه اتمهای بهم پیوسته را تکمیل میکنند. این به معنای الگوی شبکه ۹۰ درجه از ساختار بلوری گالن است که نمود آن، در شکل قابل مشاهده بلور مشخص است.
Quartz, meanwhile, has a hexagonal crystalline structure. This means that on one plane its atoms are arranged in hexagons. In three dimensions, these hexagons are composed of many interlocking pyramids made up of one silicon atom and four oxygen atoms. So the signature shape of a quartz crystal is a six-sided column with pointed tips.
در همین حال کوارتز، ساختار بلوری شش گوشه دارد. این بدان معنی است که در یک صفحه، اتمهای آن به صورت شش ضلعی مرتب شده اند. در سه بعد، این شش گوشها از بسیاری از اهرام در هم تنیده از یک اتم سیلیسیم و چهار اتم اکسیژن تشکیل شده است. بنابراین شکل مشخصه یک بلور کوارتز ستون شش ضلعی با نقاط برجسته است.
Depending on environmental conditions, most crystals have the potential to form multiple geometric shapes. For example, diamonds, which form deep in the Earth’s mantle, have a cubic crystalline structure and can grow into either cubes or octahedrons. Which shape a particular diamond grows into depends on the conditions where it grows, including pressure, temperature, and chemical environment. While we can’t directly observe growth conditions in the mantle, laboratory experiments have shown some evidence that diamonds tend to grow into cubes at lower temperatures and octahedrons at higher temperatures. Trace amounts of water, silicon, germanium, or magnesium might also influence a diamond’s shape. And diamonds never naturally grow into the shapes found in jewelry— those diamonds have been cut to showcase sparkle and clarity.
بسته به شرایط محیطی، اکثر کریستالها پتانسیل تشکیل اشکال هندسی متعدد را دارند. به عنوان مثال ، الماس ها، که در قسمت عمیق گوشته زمین هستند، یک ساختار کریستالی مکعبی دارند و میتوانند به مکعب یا اکتاهدرون تبدیل شوند. اینکه الماس به کدام شکل خاص خود رشد کند، بستگی به شرایطی دارد که در آن رشد می کند، از جمله فشار، دما و محیط شیمیایی. در حالی که ما نمیتوانیم مستقیما شرایط رشد را در قسمت گوشته مشاهده کنیم، آزمونهای آزمایشگاهی شواهدی را نشان داده است که الماسها در دماهای پایینتر به مکعب و اکتاهدرونها در دماهای بالاتر تبدیل میشوند مقدار بسیار کمی آب، سیلیسیم، ژرمانیم یا منیزیم نیز ممکن است شکل الماس را تحت تأثیر قرار دهد. و الماسها به طور طبیعی، هرگز به شکلی که در جواهرات موجود است رشد نمیکنند - این الماسها برای نشان دادن درخشش و وضوح بریده شده است.
Environmental conditions can also influence whether crystals form at all. Glass is made of melted quartz sand, but it isn’t crystalline. That’s because glass cools relatively quickly, and the atoms do not have time to arrange themselves into the ordered structure of a quartz crystal. Instead, the random arrangement of the atoms in the melted glass is locked in upon cooling.
شرایط محیطی نیز می تواند در شکل گیری بلورها تأثیر بگذارد. شیشه از شن کوارتز ذوب شده، تشکیل شده است اما بلوری نیست. به این دلیل که شیشه نسبتاً سریع خنک میشود، و اتمها فرصتی برای مرتب شدن به ساختار منظم از بلور کوارتز را، پیدا نمیکنند. در عوض، در شیشه ذوب شده، در هنگام خنک شدن اتمها ترتیب تصادفی دارند.
Many crystals don’t form geometric shapes because they grow in extremely close quarters with other crystals. Rocks like granite are full of crystals, but none have recognizable shapes. As magma cools and solidifies, many minerals within it crystallize at the same time and quickly run out of space. And certain crystals, like turquoise, don’t grow into any discernible geometric shape in most environmental conditions, even given adequate space.
بسیاری از بلورها اشکال هندسی تشکیل نمیدهند زیرا بسیار نزدیک به کوارتز با سایر بلورها رشد میکنند. صخرههایی مانند گرانیت پر از کریستال هستند، اما هیچ کدام اشکال قابل تشخیصی ندارند. هنگامی که ماگما خنک و جامد میشود، بسیاری از مواد معدنی موجود در آن، هم زمان متبلور میشوند و فضا به سرعت تمام میشود. و برخی بلورها، مانند فیروزه، در اکثر شرایط محیطی به هیچ شکل هندسی قابل تشخیصی تبدیل نمیشوند، حتی اگز فضای کافی به آنها داده شود.
Every crystal’s atomic structure has unique properties, and while these properties may not have any bearing on human emotional needs, they do have powerful applications in materials science and medicine.
ساختار اتمی هر بلور دارای خواص بی نظیری است، و در حالی که این خصوصیات ممکن است هیچ تأثیری در نیازهای عاطفی انسان نداشته باشند کاربردهای موثری در علم مواد و پزشکی دارند.